基于电参数的抽油机卡泵预警规律研究

龙　莹，刘芳超，王思琪，邵崇权

(1.大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000；2.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；3.中国石油技术开发公司，北京 100009)



基于电参数的抽油机卡泵预警规律研究

龙莹1，刘芳超1，王思琪2，邵崇权3

(1.大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000；2.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；3.中国石油技术开发公司，北京 100009)

摘要：随着油田进入采油中后期，三元驱以及聚驱方式的实施，引起采出液在抽油泵柱塞和泵筒间结蜡或结垢，造成了抽油泵的检泵周期缩短，严重影响了抽油机井的工作时效。从理论上分析了抽油泵摩擦载荷对悬点载荷的影响，同时设计并加工了实时检测仪，现场跟踪了抽油机卡泵的悬点载荷及电参数的变化规律，并以试验为基础，编制了抽油机卡泵预警程序，为现场的卡泵分析提供了技术支撑，同时为现场的预防卡泵措施的制定提供了参考。

关键词：抽油机；卡泵；试验测试；预警

抽油泵是抽油机系统井下关键部件，其高效运行是提高抽油机系统工作效率的关键[1]。随着采油强度的增加，特别在聚合物驱及三元复合驱的油井区块，驱油方式的多样性，使得油井采出液复杂多变，主要表现在采出液含聚、含蜡导致井下采出液结蜡或结垢，进而导致活塞与泵筒间隙变小，最终引起抽油泵卡泵[2-3]。目前，对于聚驱或三元驱区块，抽油泵卡泵已经成为制约抽油机高效运行的主要因素，因此，如何及时观测抽油泵的运行状态，合理预防抽油泵卡泵是采油中后期抽油机高效运行需要解决的主要难题之一。

目前采取的措施是针对抽油泵卡泵主要研究抽油泵结蜡或结垢的原因，分析其化学组分，研究相应的清蜡或清垢的措施，定期向井筒内加入防蜡剂或防结剂[4]，同时制定相应防止卡泵的操作措施，例如减少停机井数及停机时间，以防止蜡或垢进入泵筒等。上述研究方法在延缓卡泵方面具有一定的效果，但措施具有盲目性，不能根据井下抽油泵的工作状况合理地制定清蜡或清垢措施，主要原因在于无法获得由于抽油泵卡泵所引起的地面参数变化规律。本文通过理论分析及现场检测，获得抽油泵卡泵前电参数的变化规律，并编制程序，通过地面参数对井下抽油泵的运行进行监测，实现卡泵预警，为地面制定防卡措施提供支持。

1井下摩擦载荷对地面参数的影响分析

抽油机悬点示功图反应了井下抽油杆及抽油泵工作时的受载状况，当抽油泵工作时，抽油机驴头上、下冲程悬点载荷可表达为：

P上=P静上+P惯上+P振+P摩上

P下=P静下-P惯下-P振-P摩下

式中，P上是上冲程的悬点载荷，单位为N；P下是下冲程的悬点载荷，单位为N；P静上是上冲程的静载荷，单位为N；P静下是下冲程的静载荷，单位为N；P惯上是上冲程的惯性载荷，单位为N；P惯下是下冲程的惯性载荷，单位为N；P振是振动载荷，单位为N；P摩上是上冲程的摩擦载荷，单位为N；P摩下是下冲程的摩擦载荷，单位为N。

通过载荷分析可知，悬点最大、最小载荷分别出现在下冲程刚开始的上死点和上冲程刚开始的下死点附近，所以最大、最小载荷公式分别为：

Pmax=P静上+P惯上+P振+P摩上

Pmin=P静下-P惯下-P振-P摩下

当抽油机结构及抽汲参数一定时，抽油杆悬点所受静载荷是一定的，抽油杆惯性载荷和振动载荷也一定，摩擦载荷不仅与冲程、冲次有关，还与液体粘度、柱塞与泵筒间隙有关；因此，当井下井液性质发生变化时，可直接反应在悬点载荷中。

图1　摩擦载荷增大引起静示功图的变化

2抽油机悬点载荷、电参数与卡泵关系的现场试验研究

为了实时监测抽油泵在卡泵过程中悬点功图及电参数的变化规律，自主设计并加工了井口悬点参数及电参数测试仪，并在大庆油田某聚驱井进行了现场试验。试验井的抽油机机型为CYJY10-4.2-53HB，测试时间为2009年9月5日-2009年10月28日，于2009年10月28日下午1点多卡泵。试验井基本参数见表1。

表1　试验井油井参数

将测试得到的不同时刻悬点功图进行对比(见图2)，不同时刻电动机平均功率及电流的变化分别如图3和图4所示。

图2　不同时刻X1-31-P55井悬点功图对比

图3　不同时刻电动机平均功率变化曲线

图4　不同时刻电动机平均电流变化曲线

由图2可以看出：1)随着抽油泵结垢程度增大，悬点的最大载荷逐渐增大，悬点的最小载荷有所减小，且最大载荷的增大幅值较大，最小载荷减小的不明显；2)悬点载荷上冲程的振动规律变化不大，下冲程的振动增加；3)杆柱的弹性变形增加，冲程损失增大；4)由于摩擦载荷的增大使得悬点功图的起始点降低，这是由于在抽油杆运动初期，杆柱的质量由摩擦载荷平衡了一部分，使得悬点载荷降低；5)摩擦载荷增大后，在上、下冲程转化过程中，摩擦载荷存在换向，使得摩擦载荷作用过程较长，悬点载荷卸载较慢。

由图3和图4可以看出，随着摩擦载荷的增大，电动机的平均功率逐渐增大，说明电动机的耗能增加，电动机的平均功率增大率由0逐渐增大到19.88%，在卡泵当天的功率增加率为19.46%，当功率增加率到10%～14%时抽油泵运行了约10 d，在2009年10月19日之后，功率增加率急剧增大，高位运行2 d后，功率增加率又回落到约为8%，随后出现卡泵；因此，当抽油泵出现卡泵时，载荷增加率变化较为明显，且一直处于高位变化，约5 d之后出现卡泵。根据功率变化率曲线图可以看出，当功率变化率>14%时，抽油泵遇到特殊情况，卡泵事故极易发生。

3抽油机卡泵预警实时监测程序的编制

根据上述理论分析及现场试验，通过油井基本参数计算并确定标准功图，以标准功图为基准，将以悬点最大载荷增加量判定抽油泵的结垢程度，即:

ΔPB-Plin≥0

式中，ΔPB是悬点载荷最大增量，单位为N；Plin是临界悬点载荷增量，单位为N。

如果满足上述载荷的变化规律，且满足上式条件，则提出预警信号。当以电参数作为判断标准时，以悬点功图的变化规律为基础，结合扭矩因数，可计算一个冲程内功率变化曲线。将悬点的载荷增量折算到功率增量中，由于不同机型的扭矩因数不同，则功率增量也不同。不同机型的临界载荷增量与临界功率增量的关系如下。

1)CYJ8-3-37HB型与CYJ10-3-37HB型为：

ΔP=-0.003 3ΔF4+0.091 8ΔF3-0.819ΔF2+4.525 8ΔF+0.008 4

2)CYJY10-3-37HB型与CYJY8-3-37HB型为：

ΔP=0.000 2ΔF4+0.004ΔF3-0.163 2ΔF2+2.287 5ΔF+0.0378

3)CYJY10-4.2-53HB型为：

ΔP=-0.005 9ΔF4+0.148 9ΔF3-

1.286 2ΔF2+5.761 2ΔF+0.015 5

4)CYJY14-5.5-89HF型为：

ΔP=-0.001 5ΔF4+0.046 9ΔF3-

0.540 1ΔF2+4.421 8ΔF+0.015 5

5)CYJY14-6-89HF型为：

ΔP=-0.000 6ΔF4+0.024 6ΔF3-

0.389 4ΔF2+4.432 3ΔF+0.095 4

根据临界功率增量，可确定临界的电流增量为：

根据上述公式，在确定临界载荷增量的条件下，结合机型可确定临界功率增量及临界电流增量，当测试得到的功率增量大于临界功率增量，或电流增量大于临界电流增量时，则提出预警信号。

为完成上述分析，编制了悬点载荷与卡泵规律的计算软件，抽油机井结垢预警分析程序主界面如图5所示。该软件可根据油井基本参数，通过测试的悬点载荷或电动机功率判断井下抽油泵的卡泵程度，给出结垢进度，为卡泵预警提供技术支撑。

图5　抽油机井结垢预警分析程序主界面

4结语

通过上述分析，可以得出以下结论。

1)通过对抽油泵结垢引起增大摩擦载荷的规律分析发现，摩擦载荷受运动速度影响较小，因此，其对悬点载荷的影响主要表现在悬点最大载荷增加，最小载荷减小，且冲程损失增加。

2)现场试验表明，抽油泵结垢严重时，悬点载荷表现为上冲程的最大载荷增加，上、下冲程转换过程中载荷下降缓慢，且下冲程最小载荷降低较小。与理论分析基本吻合，下冲程载荷的降低幅值与上冲程载荷的增加幅值不相等，主要原因在于抽油机井下冲程过程是抽油杆柱的自由落体运动与抽油机悬点运动相互耦合作用，它们之间相互影响；因此，结垢后下冲程最小载荷的准确计算较为困难。鉴于此，在诊断抽油泵结垢程度时，主要参考上冲程最大载荷的增加幅值。

3)以建立的临界载荷为基础，结合不同机型，获得了以功率或电流为参数的判断临界值，编制了抽油机井卡泵预警程序，可实现对抽油机井卡泵程度的预警。

参考文献

[1] 崔振华，余国安，安锦高，等.有杆抽油系统[M].北京：石油工业出版社，1994.

[2] 李金玲，李天德，陈修君，等.强碱三元复合驱结垢对机采井的影响及解决措施[J].大庆石油地质与开发，2008，27(3)：89-91.

[3] 徐典平，薛家锋，包亚臣，等.三元复合驱油井结垢机理研究[J].大庆石油地质与开发，2001,20(2)：98-100.

[4] 李金玲，冯海泉，祝英俊，等.三元复合驱抽油机井卡泵初期的处理方法[J].油气田地面工程，2012,31(12)：90.

责任编辑郑练

Research on the Law of Stuck Pumping Forecast of Pumping Unit based on Electrical Parameter

LONG Ying1, LIU Fangchao1, WANG Siqi2, SHAO Chongquan3

(1.Daqing Oilfield Company, Daqing 163310, China; 2.Northeast Petroleum University, Department of Mechanical Science and Engineering, Daqing 163310, China; 3.China Petroleum Technology & Development Corporation, Beijing 100009, China)

Abstract：As the production of oilfield goes into middle and later periods, the ASP flooding and polymer flooding is used, it makes that the produced liquid paraffin depositing or scaling between the plunger and pump barrel increases, the pump inspection cycle is shortened and the efficiency of pumping unit is slowed. The influence of friction load on polished rod load is analyzed in theory, the detector is designed and processed. Through tracking the polished rod load and electrical parameter before stuck pumping, and based the experiment date, the procedure to forecast stuck pumping is established, the procedure can provide technical support for analyzing stuck pumping, and can provide reference for making measures to prevent stuck pumping in oilfield.

Key words:pumping unit, stuck pumping, experimental test, forecast

中图分类号：TE 35

文献标志码:A

收稿日期：2015-11-17

作者简介：龙莹(1987-)，女，工程师，大学本科，主要从事采油工程及测试等方面的研究。